复杂地质条件下钻孔桩施工技术

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1、复杂地质条件下钻孔桩施工技术复杂地质条件下钻孔桩施工技术李秀民 【摘要】本文通过新建宜万铁路赵家岭大桥钻孔桩施工，对施工中极易出现的 岩溶、卡钻、塌孔等问题进行了研究，对复杂地质条件下钻孔桩开挖技术进行 了阐述，为同类工程的施工提供了一些经验和借鉴。 【关键词】钻孔桩开挖 复杂地质条件 岩溶处理 卡钻一、工程概况和特点一、工程概况和特点 赵家岭大桥属于新建宜万铁路土建工程，位于宜昌市点军区土城乡。赵家 岭大桥设计为双线桥，桥面宽 10.7m，全长 231.92m，采用 60m+100m+60m 三跨 单箱直壁 T 型梁，悬臂灌注法施工。桥墩高 54m，桥梁基础为钻孔桩，设计直 径 2000mm

2、，桩长 54m。 根据设计勘察资料，桥址区岩溶发育，地表多处有溶隙和溶洞出露。桩基 处地表覆盖 Q4dl+el 坡积碎石土，褐黄色，稍湿、稍密，厚 2-17m；下伏 2qn 泥灰岩、白云质灰岩互层或夹层。泥灰岩多呈薄层状，强风化至全风化，岩芯 破碎，多呈碎块夹土状。白云质灰岩为中厚层状至薄层状，强至弱风化，局部 有溶蚀小孔洞，岩层产状 15020，局部产状变化，有褶皱现象；节理较 发育，主要有两组，走向分别为 170和 90，张开节理，无填充，延伸长约 3m。 该桩基工程的特点在于地质条件复杂，一方面岩溶发育，存在塌孔偏孔等 风险。另一方面存在强风化的泥质灰岩、页岩等粘土岩层，易发生缩径、卡钻

3、 等问题， 二、钻孔桩施工方法二、钻孔桩施工方法 根据现场设备、交通、地质条件和工期、经济等因素综合考虑，赵家岭大 桥基础钻孔桩选择采用 CK2500 型十字钻头冲击钻机钻进，泥浆护壁。 由于赵家岭大桥两个桥墩每墩 12 根桩，为保证施工进度，共投入 12 台钻 机，每个桥墩 6 台，采取跳孔开挖。 钻孔桩施工按照施工准备、测量放样、安设钢护筒、钻机就位、冲击钻孔、 清孔、验孔、安放钢筋笼、灌注水下砼、桩基检查与验收等步骤进行，其工艺 流程如图 1 所示。三、复杂地质条件钻孔桩施工措施三、复杂地质条件钻孔桩施工措施 由于赵家岭大桥复杂的地质条件，我们在钻孔桩施工过程中，出现了卡钻、 塌孔、漏浆

4、、偏孔等现象。为保证施工质量和施工顺利进行，对此我们通过进 行统筹规划：一方面，在施工前积极针对施工过程中可能出现的各种问题及其 对钻孔桩施工的影响进行研究，预防这些问题的出现，减小或避免其对钻孔桩 质量的影响；另一方面，成立技术攻关小组，及时对施工中出现的问题进行攻 关。最终，我们通过采取超前补钻、风险分析等各种措施，优质顺利的完成了 赵家岭大桥钻孔桩的施工。 1、超前补钻、超前补钻 在钻孔桩施工前，详细了解其地质情况是必不可少的，这样有助于规避风 险，保障施工安全顺利的进行。鉴于勘探钻孔太少，针对赵家岭大桥复杂的地 质条件，我们组织队伍对部分桩位进行了补钻，通过补钻深入细致的了解桩位处地层

5、情况，有利于我们采取针对性措施，控制钻进速度和方式，确保施工效 率和质量。如下图所示为部分桩基补钻前后地质柱状图。施工准备测量放样安设钢护筒钻机就位冲击钻孔清 孔验 孔安放钢筋笼灌注水下砼桩基检查与验收钢筋笼制作图图 1 钻孔桩施工工艺流程钻孔桩施工工艺流程岩 层 说 明位置钻孔编号次层 时代成因项目名称完工日期Y:标高层底岩层剖面 层深标 层厚承载力 编号试件地下水位标贯击数注附kPa基本工 程 地 质 柱 状 图工程名称坐 X:开工日期孔口标高1:500宜万铁路施工阶段补充 勘察赵家岭大桥DK39+180.11左0.6m396552.55 502683.91Jz-IV05-赵补2-5352

6、.10 m2005年4月15日2005年4月19日制图：张科复核：汪文溶2005年4月23日350600填土：黄褐色，中密，以碎石为主， 碎石含量超过50%，成分为有粘土， 由人工开挖堆填而成。泥质灰岩与薄层泥灰岩互层强风化： 灰褐色,裂隙发育,呈薄层状构造， 岩芯机械破碎呈块状2-5CM,少量呈 粗砂状,主要成分以泥质灰岩为主， 夹少量薄层状钙质页岩，含少量全 风化泥灰，锤击易碎。（35m处有 较小溶沟，以粘土及灰岩角砾充填 ）白云岩：淡灰色，弱风化，裂隙发 育，呈薄层状构造，岩心机械破碎 呈块状，长25cm,少量较大，主 要成份以白云岩为主 。RQD=10%(52m处全孔漏水。)Qal+p

7、l 4?2qnW3W2白云质灰岩与泥灰岩互层强风化： 灰褐色,裂隙发育,呈薄层状构造， 岩芯机械破碎呈块状2-5CM,少量较 大,主要成分以灰岩为主，夹少量 薄层状钙质页岩，含少量全风化泥 灰，锤击易碎。根据超前补钻取得的地质资料，可以针对不同的岩层采取不同的钻速，以 提高进度，同时对可能出现的问题提前作好准备，如白云质灰岩地段的溶洞、 泥质灰岩地段的缩径、塌孔等。 2、风险分析及预防、风险分析及预防 钻孔桩施工前对施工中可能发生的风险进行分析，并采取针对性措施是保 证施工质量和顺利进行的有效手段。根据质量要求、地质条件和施工经验，钻 孔桩施工过程中可能出现的问题主要包括以下几个方面： 2.1

8、 偏斜孔预防偏斜孔预防 根据经验和分析，导致出现偏孔的原因主要是钻机安装时基础不牢、固定 不好或钻孔桩地质构造不均匀等因素引起钻机整体或钻头在钻孔过程中发生偏 斜。 针对前者，首先，我们施工前对安设钻机处地基进行了夯实以防止施工中 钻机整体偏斜，同时钻机就位后采用增大基座、锚固和配重的方法防范因钻进 震动引起的移位和偏斜。在施工中定期对钻机测偏，发现偏孔后及时校正。对 于地质构造不均匀可能引起的偏孔，我们根据钻孔资料，先确定白云石质灰岩与泥灰岩、泥灰岩与页岩等过渡处的深度，提前进行技术交底，当钻进至其上 1 米时，调整钻机冲程改用小冲程钻进，减小提升高度进行慢速钻孔，做到轻 击慢打，并注意吊索

9、摆动情况，避免偏孔。必要时准备适当的回填材料（回填 材料一般为片石加黏土、纯碱、锯末等组成的混合物）做好回填纠偏准备。 2.2 护筒防脱护筒防脱 护筒脱落下沉也是钻孔桩施工过程中常出现的问题，一般是因为背后回填 质量不好、受地面流水的浸泡等因素所致。对此，施工时采用片石混凝土回填 钢护筒外侧可以有效防范这一问题的出现，同时做好孔口周围的排水系统也是 重要的辅助手段。 对于已出现的护筒脱落，应立即停止钻孔，将钻机移开，重新安装护筒再 恢复钻孔施工。 2.3 卡钻预防卡钻预防 卡钻时钻孔桩施工中经常出现的问题，一旦发生卡钻，不仅耽误进度，而 且在处理过程中极易发生这样或那样的问题，因此，针对发生卡

10、钻的原因提前 做好相应的预防措施是很有必要的。根据研究，钻孔时孔壁掉块、缩径、钻头 长时间沉底等原因都会引起卡钻现象。 防范孔壁掉块引起的卡钻现象主要是防止出现掉块，一方面做好孔口防护 措施，防止各种杂物掉入空内，另一方面，根据超前钻孔地质资料，针对破碎 易松动掉块的地层，适当增大泥浆浓度，钻进时快速提升匀速钻进，消除“探 头石”和易掉落的岩石。 缩径是在粘土岩地层中容易出现的现象，其原因是此类地层易变形，钻头 经过后钻孔壁回缩，从而导致钻孔的直径减小。赵家岭大桥处由于存在强风化 粘土岩类岩层及页岩夹层，因此可能发生缩径导致的卡钻。针对易发生缩孔的 地层，钻进过程中认真观测其钻速和碴样，采取块

11、、卵石土回填，而后用重量 较大的冲击钻冲击，挤紧钻孔孔壁的办法处理； 钻头长时间沉底多数是由于由于卷扬机、吊索等故障所致，对此，主要通 过定期检查保养钻机来预防。如导致钻头在浓泥浆中滞留时间过长造成的钻头 无法提升现象，应采取插入高压水管置换泥浆的方法进行处理。 3、施工难点问题处理、施工难点问题处理 在赵家岭大桥钻孔桩施工前，我们虽然根据风险分析结果从各方面采取了 预防措施，但是施工过程中还是有多根桩出现了卡钻、塌孔等问题，另外不时 出现的岩溶也造成了塌孔、漏浆和卡钻问题。以赵家岭大桥 2 号墩 6钻孔桩 为例，该桩在深 17.3 米出现卡钻，在深 34 米和 52 米处出现溶洞，并在 34

12、 米 深处造成塌孔和卡钻。 3.1 卡钻处理卡钻处理 根据超前钻探资料，赵家岭大桥 2 号墩 6钻孔桩在 17.3 米深该处位于强 风化的白云质灰岩和泥质灰岩过渡段，该段碴样呈灰色砂状，大小不均匀。卡 钻初期尚能向稍稍提升，采用轻放快提法未能解决反而卡死。经研究，判断为 过渡段松散破碎白云质灰岩掉块所致。为避免钻头长时间沉底导致粘锤，必须 尽快处理。根据卡钻情况提出三种解决方案：（1）清孔后人工处理（2）采用 高压水或高压气吹碴（3）水下爆破法。第一种方法费时费工且不安全，首先被 排除。第二种方法经试行无效，最终确定采用水下爆破法解决卡钻问题。水下 爆破采用电雷管和乳化炸药。鉴于卡钻处岩层风化

13、松散，施工中必须控制装药 量减小爆破震动。经研究，决定采用分散装药，将总装药量控制在 200 克内；爆破点尽量紧贴钻头；爆破前钻机保持对钻头的提升力，利用爆破时的震动将 钻头提起来。爆破后顺利将钻头提起。解决卡钻问题后，再次钻进前，我们按 照配比加入适量膨润土和粘土，将泥浆比重提高至 1.25，加大了粘度，同时采 取采取小冲程钻进，顺利通过了过渡段。 在处理 34 米深处溶洞时由于加入粘土比例过多，在采用小冲程造壁和造浆 时，出现粘锤现象，最终导致卡钻。对于此次卡钻，我们采取高压水置换法解 决，将钢管依次插入钻头十字岔内（采用十字形冲击钻头）注入高压水，同时 卷扬机瞬间提升，最终提起了钻头。3

14、.2 溶洞处理溶洞处理 赵家岭大桥 2 号墩 6钻孔桩在钻至 34 米深处时液面迅速下降，判断出现 溶洞或溶隙，我们将钻头提起一定高度后采用装载机向孔内填充粘土和片石， 进行小冲程挤压钻进，填充了约 9 方粘土和块石后，液面停止下降。随后紧急 补充泥浆，以保持对孔外地下水的水头。在后续钻进过程中，采用继续采用小 冲程钻进，穿过溶洞后向下钻进 1.5 米后塌孔，同时液面缓慢下降，但钻头仍 可提起。推测为溶洞段所造粘土片石孔壁坍塌。对此综合孔壁坍塌的原因研究 了一整套处理方案：（1）迅速遏制孔内液面下降，填入粘土和片石，泵入泥浆， 提高泥浆比重和粘度，保持对孔外地下水的水压。 （2）粘土和块石按比

15、例和次 序加入，确保所形成的孔壁稳定。粘土和块石按 34：1 的比例投入，一层粘 土一层片石，片石尺寸不超过钻头十字岔开口宽度的 1/3，片石采用人工沿孔 壁投入。 （3）多次回填。初次完毕并穿过溶洞后再进行二次回填，确保孔壁稳 定密实。本方案实施后，我们通过了溶洞段施工，在后续施工中未出现任何问 题。四、结束语四、结束语 在赵家岭大桥钻孔桩施工过程中，我们通过技术研究，克服了复杂地质条 件带来的困扰，解决了施工过程中出现的卡钻、塌孔、岩溶等问题，顺利通过 了粘土岩和岩溶地段地层，保证了施工质量。 在施工过程中也形成了几点体会： （1）在复杂地质地区或岩溶地区进行钻孔桩施工，必须进行适当的补充

16、钻 探，充分了解地质情况，以便做好防范工作，降低施工风险。 （2）在复杂地质地区或岩溶地区进行钻孔桩施工时，做好施工前的风险防 范工作是很有必要的，在本工程中无论是倾斜岩层还是溶洞处理均未出现偏孔 即源于此。 （3）钻孔桩施工遇到溶洞时，极易发生塌孔、卡钻、偏孔等现象，必须稳 扎稳打，不能一味追求进度，以免清孔或浇筑时出现问题。 （3）本工程中遇到的都是小型溶洞，对大型溶洞靠粘土加片石形成孔壁效 果尚存在疑问，对采用混凝土回填处理溶洞技术还需要进一步研究。参考文献 1、 铁路桥涵施工技术规范 （TB102032002） 2、 铁路桥涵设计规范 （TB10002.199） 3、 铁路工程施工技术手册.桥涵 （中国铁道出版社 2000 年）